天柱山某边坡稳定性分析①

(安徽建筑大学土木学院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

边坡可分为自然和人工边坡，无论是自然还是人工坡，判断其稳定性，根据分析结果制定合理的加固方式，对边坡工程实际开发意义重大。

天柱山旅游景区前期的建设留有多处裸露坡面,且裸露边坡与周边景色极不协调，产生了大量的视觉污染，严重损害了天柱山国家风景名胜区的形象，阻碍了景区的发展。景区边坡生态环境不仅可以提升景区经济效益，还可以恢复景区生态，更可以通过边坡生态治理对环境进行保护及恢复。边坡工程的研究目的是通过分析和评价边坡的稳定性，从而为实际中的工程确定最优化的边坡结构支护方案，提高工程的安全度和效益值。

1 边坡地质特征

1.1 地形地貌

天柱山边坡工程区位于天柱山景区东侧，开挖边坡总体走向NE向，局部NW向，边坡坡脚长约55m，坡顶长约67m。开挖边坡高度在2～58m之间。

1.2 边坡工程地质特征

选取的某段边坡坡脚长约58m，坡底标高约为34～36m，坡顶标高约为71～89m，坡高37～55m。边坡总体走向约N25°E，倾向SE，坡中高程约60～61m处有马道，马道以上坡高约10～35m，坡度约45～65°；马道以下坡高15～18m，坡高约50～60°，坡脚石渣堆积。

边坡基岩出露，岩性为风化花岗岩，岩层产状：N10°W，NE<40°。马道以上坡顶残坡基层厚约0.2～0.5m，主要节理及特征描述如下：

①N75°E，NW<50°，面平，张开，间距15～25cm；

②SN，E<65°，面平，延伸长，张开，间距30～50cm；

③N30°E，SE<50°，面平，延伸长，微张～张开，间距20～30cm。

2 边坡稳定性分析

斜坡结构的赤平投影如图1所示。边坡为斜向岩质边坡。岩层及边坡呈倾斜状，整体结构基本稳定。结构面3和开挖边坡在护道上方有一个小倾角，倾角小于开挖坡脚，且有沿结构面3单侧滑动的可能。斜向坡外的楔形体是通过切割结构面3和平面4形成的，楔形体是通过相互切割形成的。外坡存在潜在失稳和不稳定结构。

图1

3 边坡稳定性的影响因素

根据地质勘察报告结果分析，边坡主要由石英砂石构成，边坡倾角较陡且高程较大，属岩质高边坡。影响边坡稳定较为复杂，相关因素分析如下：

(1) 岩性特征：中风化岩构成边坡岩层主体，质地较硬，物理性质良好，受风化作用影响程度较小。

(2) 边坡的形态特征：边坡倾角较大且高程较高，在人工开挖后，坡面一直处于裸露状态，边坡的稳定性必然逐渐降低，边坡的高陡形态不利于边坡的稳定。同时边坡缺少防护设施，岩体风化卸荷及自重作用下表层岩体将向坡外变形，不利于边坡稳定性。

(3) 气象和水文地质条件：研究区域边坡属于高陡边坡，有利于水体地表径流；岩土层岩体裂隙发育，有利于水体的下渗。另外坡面陡峭，水力排泄快，力度大，也不利于边坡的稳定性。由此可见，研究区内的气象和水文地质条件会侵蚀边坡岩体，不利于边坡的稳定性。

(4) 振动作用：在边坡施工开挖过程中，爆破振动及机械开挖的扰动、通车后车辆的震动，都会造成边坡岩体的振动，在大规模的振动作用下，紧密结实的岩体就会松弛，改变了坡体的原始应力，促使裂隙向岩体内部发育。开挖形成的临空面岩体失去了原有岩体的保护作用。

(5) 人类的工程活动：削坡往往会削薄坡脚结构面，致使坡面抗阻力减小，而坡体顶部下滑力并没有改变，引发坡体下滑的趋势；坡顶加载与削坡原理相类似，只不过是增加了下滑力，抗阻力不变，坡顶张应力增大，致使坡脚剪应力集中，随着剪应力的增加，当超过岩土体抗剪强度时，引起边坡变形，稳定性降低。

(6) 生物因素：植物根系虽然可以维持和提高边坡的稳定性，但在岩缝中生长的根系会引起岩缝的扩展和开裂，甚至引起局部的崩塌。动物的觅食以及在岩体挖洞筑巢，以及排泄物也会降低边坡的稳定性。

综上所述，构成边坡坡体的中风化石英砂岩，更好的物理和机械性能，有利于边坡的稳定性。

4 工程实例

4.1 建立模型

根据天柱山工程地质实际情况建立边坡模型见表1，模拟采用直角坐标系，原点为模型左下角；X方向为东西方向，向东为正方向；Y方向为南北方向，向北为正方向；Z方向为铅直方向，向上为正方向。边坡底部基岩模型长L=60m，宽L=10m，高H=12m，边坡长L=36m，宽L=10m，高H=12m，倾角为45°。采用库伦摩尔本构关系，左右边界水平方向无位移变化，底部边界水平和垂直方向无位移变化。

表1 边坡模型围岩参数表

边坡实际情况三维数值模型见图2。

图2 自然状态下边坡数值模型

4.2 FLAC3D数值模拟结果分析

水平X方向向右为正位移，在边坡实际工程中指向坡面侧。从边坡位移变形图(图3、图4)可以直观的看出潜在滑动面最大位移产生坡脚处位移量最大为15cm，弧形滑移面面积较大。

图3 原始状态下水平位移变化图

垂直位移正方向指从边坡底部指向边坡顶部。在原始状态下最大位移产生在坡面临空处，随着高程的增加，变形位移量越大，在坡顶最大为14cm，潜在变形面积较大，实际情况一致。

从原始状态下水平和垂直应力图(图5、图6)可以看出X方向应力带比较分散，且不规则，在坡面处应力变化率比较大，边坡底部应力最大为243.9kPa，在坡顶应力最小为14.4kPa。Z方向应力主要受重力作用，应力分层呈条带状。垂直应力变化比较有规律，应力平行于坡面分布，表现为压应力。这个应力模拟结果与实际应力分布情况是一致的。

图4 原始状态下垂直方向位移变化图

图5 原始状态下水平应力图

图6 原始状态下垂直应力图

5 边坡稳定性系数计算

根据赤投影分析的结果，该段边坡潜在的不稳定岩体主要是结构面3与层面4所构成的楔形体，其稳定性的估算结果如下：

计算项目:三维楔形体稳定性分析该段边坡[计算条件]计算目标安全系数是否考虑张裂隙否是否考虑裂隙水否边坡是否倒悬否岩体的容重2650(kN/m3)H35.000(m)L40.000(m)不考虑地震作用平面倾角(°)倾向(°)粘聚力(kPa)内摩擦角(°)荷载值(MN)平面A50.0120.00.125---平面B40.080.00.125---边坡顶面5.0115.0---------边坡坡面60.0115.0---------锚杆力0.00.0------0.00外荷载0.00.0------0.00

[计算结果]安全系数F：0.85

计算结果表明，结构面3和结构面4形成的楔块稳定系数为0.85，处于不稳定状态。

6 结 论

原始状态的位移矢量图见图7，边坡属于滑移式失稳，整体斜面有从坡顶到坡脚向下滑移的趋向。

表2 边坡稳定状态判定表

图7 原始状态下位移矢量图、安全系数

工程边坡由于人工开挖形成高且陡的人工边坡，开挖边坡角度较大，坡度较陡，局部近直立或倒倾，坡面岩体卸荷裂隙发育，坡面分布松动岩体和堆渣，经常有掉块现象，边坡未经整治及采取任何地灾防护措施。受人类活动扰动影响比较大。边坡在植物根系向下生长过程中破表形成隐伏的陡倾裂隙面，这是地表水下渗侵蚀的主要导水通道。

根据太沙基有效应力定律，地表水入渗过程中，孔隙水压力上升，岩石有效应力下降，雨水的进一步侵蚀加深，蔓延到潜在滑带的位置，潜在滑带受风化作用，雨水在潜在滑带处更易形成径流，并逐渐贯通，潜在滑带与稳定带之间裂隙面逐渐拉宽，临空面发生滑落，边坡出现失稳。该段边坡安全系数的计算结果为0.85，由表2可知稳定性差，根据天柱山景区实际工程情况，后续进行深入的边坡稳定性治理，以保证该段边坡的稳定性。